[發明專利]表面改性涂層的切削刀具及其制備方法

有效

• 申請號: 201210014411.7
• 申請日: 2012-01-17
• 公開（公告）號: CN103205728A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 李秀萍;陳響明;王社權;劉王平
• 申請（專利權）人: 株洲鉆石切削刀具股份有限公司
• 主分類號: C23C16/30
• 分類號: C23C16/30;B23B27/14
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪

技術領域

本發明屬于金屬切削加工領域，尤其涉及一種涂層切削刀具及其制備方法。

背景技術

切削刀具在使用過程中，刀具失效現象包括受機械沖擊所致的脆性崩刃以及刀具在機械和熱循環沖擊綜合作用下的磨損、氧化、粘附剝落等。涂層技術的出現，為解決刀具韌性和耐磨性等問題提供了一條極為有效的途徑。

在刀具基體表面沉積一層或多層如TiC、TiN、TiCN、Al₂O₃等硬質化合物涂層，大幅度地提高了刀具的性能和使用壽命，使得切削刀具具有了更高的耐磨性和耐熱性；光滑的刀具表面還減小了與工件的摩擦，降低了切削力，減小了功率消耗，能耗得以降低。

在刀具表面的CVD涂層設計中，目前應用最廣泛的是TiN、TiCN及Al₂O₃等涂層，鈦化物涂層能夠與合金基體進行較好的熱匹配，而Al₂O₃能夠保證高速高效加工，延長刀具壽命。Al₂O₃涂層在高速切削加工的高溫條件下，可以改善化學或固溶方面的耐磨性能，而這一方面ZrO₂涂層更有效。ZrO₂具有比Al₂O₃更低的熱導率，能夠對基體起到更好的熱障作用，同其他涂層材料相比，ZrO₂具有較高的強度、斷裂韌性和良好的耐磨性，以及優異的熱學和力學性能。

眾所周知，塊狀陶瓷材料中彌散分布的二次相能影響材料的強度、硬度、韌性和結構等，用CVD技術沉積生長的這一類薄膜涂層也是這種情況，二次相可以抑制微晶晶粒生長，是涂層薄膜生長中的正常現象，導致涂層結構和性能的改進，這種效果非常重要。因此如果能夠把ZrO₂與Al₂O₃進行復合沉積，控制復合沉積過程中兩相的比例，所形成的復合涂層可能能夠將Al₂O₃的良好界面粘附性能、耐磨性和ZrO₂的高化學性和抗熱性能進行很好的結合，甚至可以極大地改善普通Al₂O₃涂層的表面粗糙度，使涂層表面更加致密光滑，從而獲得表面性能更好的涂層切削刀具。

在目前的CVD涂層技術中，要實現ZrO₂與Al₂O₃的復合沉積，主要是利用ZrCl₄和AlCl₃氣氛作為兩種金屬元素的來源，采用ZrCl₄-AlCl₃-CO₂-HCl-H₂S-H₂沉積氣氛系統直接在CVD涂層爐中實現。

US20020155325美國專利文獻公開了一種把ZrCl₄加入AlCl₃-CO₂-HCl-H₂S-H₂氣氛中進行Al₂O₃涂層沉積，形成具有(300)強織構的α-Al₂O₃涂層，其(300)晶面織構系數TC值在1.5以上；專利US2007148498公開了一種形成Al₂O₃涂層的方法，它是在外層Al₂O₃沉積過程中通入ZrCl₄氣氛，形成的Al₂O₃涂層的(110)晶面織構系數TC值大于1.5，而(012)、(104)、(113)、(024)和(116)晶面的TC小于1.0，涂層厚度為2μm～15μm，這種取向的Al₂O₃涂層提高了抗磨損和粘附性能。上述兩個沉積Al₂O₃涂層的工藝，只涉及在工藝沉積中引入Zr元素來形成某個單一晶面強織構的α-Al₂O₃涂層，而沒有說明形成的α-Al₂O₃涂層與其他相關晶面的相關關系。